Gordon Moore, đồng sáng lập Intel, từng dự báo rằng số lượng bóng bán dẫn trên mỗi con chip có xu hướng tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, giúp hiệu suất xử lý nhảy vọt trong khi chi phí trên mỗi đơn vị tính toán giảm mạnh.
Đúng như dự báo - được gọi là định luật Moore, trải qua một hành trình phát triển thần kỳ, ngành bán dẫn đã thu nhỏ những bóng bán dẫn sơ khai kích cỡ 10.000 nanomet (nm) vào đầu thập niên 1970 xuống chỉ còn vài nm trên những con chip tiên tiến nhất.
Chìa khóa cho bước tiến này chính là công nghệ quang khắc siêu cực tím (extreme ultraviolet lithography - EUV). Bằng cách sử dụng ánh sáng có bước sóng cực ngắn - chỉ 13,5 nm, EUV chạm khắc những cấu trúc mạch điện tinh vi đến mức không tưởng.
Kỹ sư ASML vận hành hệ thống quang khắc EUV - công nghệ then chốt để sản xuất các vi mạch tiên tiến nhất hiện nay. Ảnh: ASML
Hiện nay, công ty ASML của Hà Lan là nhà cung cấp thương mại duy nhất các hệ thống EUV, công nghệ then chốt để sản xuất chip tiên tiến nhất.
Trớ trêu thay, dù mang nhãn hiệu Hà Lan, nhưng linh hồn của EUV lại được hun đúc từ những thử nghiệm ban đầu của người Mỹ và người Nhật.
Tại Mỹ, suốt nhiều thập kỷ, hệ thống phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia, Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến thuộc Bộ Quốc phòng, IBM, Intel... đã đổ hàng trăm triệu USD để biến EUV thành hiện thực.
Việc một công ty châu Âu cuối cùng lại nắm giữ chìa khóa của toàn bộ thành quả đó là một trong những câu chuyện thú vị và bất ngờ nhất trong lịch sử công nghiệp bán dẫn.
Mỗi cỗ máy EUV có kích thước xấp xỉ một chiếc xe buýt. Quá trình vận chuyển các bộ phận của chúng cần tới 40 container hàng hóa, ba máy bay chở hàng và 20 xe tải. Ảnh: ASML
Nhu cầu phát triển công nghệ mới
Quá trình khắc những bản mạch siêu nhỏ lên tấm silicon (wafer silicon) có thể hình dung giống như việc chiếu ánh sáng qua một tấm khuôn đặc biệt. Trong ngành công nghiệp bán dẫn, những tấm khuôn này được gọi là mặt nạ (mask), với các vùng cho ánh sáng đi qua và các vùng chặn ánh sáng để tạo nên hình dạng mạch điện.
Ánh sáng đi qua mặt nạ sẽ chiếu hình ảnh của vi mạch lên wafer đã được phủ sẵn lớp hóa chất cản quang. Dưới tác động của ánh sáng, lớp cản quang sẽ thay đổi tính chất - phần được chiếu sáng có thể trở nên mềm hơn hoặc ngược lại, tùy theo loại vật liệu. Sau đó, wafer được rửa để loại bỏ phần cản quang đã biến đổi, chỉ giữ phần còn lại có hình dạng vi mạch cần in.
Tiếp theo, quy trình ăn mòn hóa học được thực hiện để chuyển các đường nét này xuống lớp silicon bên dưới. Phần chất cản quang còn lại sau đó được gỡ bỏ, để lộ ra các rãnh vi mạch hoàn hảo. Quy trình được lặp đi lặp lại hàng chục lần, xếp chồng các lớp lên nhau để tạo ra một con chip hoàn chỉnh.
Trong giai đoạn đầu, công nghệ quang khắc bán dẫn sử dụng đèn thủy ngân với ánh sáng có bước sóng 436 nm. Tuy nhiên, khi kích thước bóng bán dẫn thu nhỏ dần, bước sóng này trở nên quá lớn so với các chi tiết cần tạo hình. Khi đó, hiệu ứng nhiễu xạ ánh sáng bắt đầu chi phối, khiến các đường nét mạch điện không còn được tái tạo sắc nét mà trở nên mờ nhòe. Vì vậy, việc phát triển các công nghệ quang khắc sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn trở thành yêu cầu bắt buộc để tiếp tục thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn và nâng cao mật độ tích hợp trên chip.
Quang khắc tia X - giải pháp thay thế chưa trọn vẹn
Ngay từ những năm 1960, các nhà khoa học đã lao vào tìm kiếm những giải pháp thay thế cho phương pháp quang khắc truyền thống.
John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley - ba nhà khoa học tại Bell Labs đứng sau sự ra đời của bóng bán dẫn, năm 1948. Bell Labs sau đó vẫn tiếp tục tham gia vào cuộc đua nghiên cứu tìm kiếm phương án thay thế cho phương pháp quang khắc truyền thống. Ảnh: Wikimedia
Một trong những hướng đi hứa hẹn nhất thời bấy giờ là công nghệ quang khắc chùm tia điện tử (e-beam lithography). Thay vì sử dụng các photon ánh sáng, công nghệ này sử dụng chùm electron để trực tiếp "vẽ" sơ đồ mạch điện lên wafer.
Suốt ba thập kỷ (từ 1960 đến 1990), IBM đã đổ nguồn lực khổng lồ vào nghiên cứu công nghệ này. Ưu điểm của e-beam là độ chính xác rất cao; với bước sóng siêu ngắn của điện tử, nó có thể tạo ra các nét vẽ mạch mảnh và sắc nét gấp nhiều lần so với bất kỳ công nghệ quang khắc quang học nào cùng thời.
Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là tốc độ rất chậm, khiến phải mất đến hàng chục tiếng đồng hồ mới hoàn tất được một tấm wafer. Chính vì hạn chế về năng suất, e-beam chỉ được sử dụng để chế tạo các mặt nạ và con chip nguyên mẫu, chứ không thể ứng dụng vào sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu chuyển hướng sang một ứng viên tiềm năng khác: quang khắc tia X (X-ray lithography). Tia X có dải bước sóng siêu ngắn, chỉ từ 10 đến 0.01 nm, cho phép tạo ra những đường rãnh cực nhỏ. Lúc này, IBM không còn là người chơi duy nhất trong cuộc đua. Những gã khổng lồ như Bell Labs, Hughes Aircraft hay HP đều dốc sức nghiên cứu và đặt cược tia X chính là tương lai thay thế quang khắc quang học.
Dẫu vậy, cũng tương tự quang khắc điện tử, quang khắc tia X chưa bao giờ đủ sức soán ngôi phương pháp quang học trong dây chuyền sản xuất quy mô lớn. Rắc rối ở chỗ, để sản sinh ra tia X đủ mạnh, người ta phần lớn dựa vào các máy gia tốc hạt - những cỗ máy khổng lồ trị giá hàng chục triệu USD vốn chỉ tồn tại trong các phòng thí nghiệm quốc gia trọng điểm. Phương án này không tưởng về mặt kinh tế để đưa vào sản xuất công nghiệp.
Sự phát triển của thấu kính quang khắc theo thời gian. Ngoài việc tăng độ phức tạp của hệ thấu kính, các bước sóng ánh sáng ngày càng ngắn hơn cũng được áp dụng. Ảnh: Bruning, 2007
Buổi bình minh của EUV
Tia X đã khiến các nhà khoa học nản lòng suốt một thời gian dài. Đặc tính xuyên qua nhiều vật liệu của tia X khiến cho việc chế tạo mặt nạ đủ sức ngăn chặn và định hình chùm tia này trở nên vô cùng thử thách.
Do tia X không thể hội tụ bằng các thấu kính, người ta buộc phải sử dụng các hệ gương phản xạ để điều khiển và tập trung chùm tia. Tuy nhiên, tia X chỉ phản xạ hiệu quả ở các góc chiếu rất nông, khiến hệ thống hội tụ trở nên cồng kềnh và phức tạp. Để khắc phục, các nhà khoa học đã phát triển gương đa lớp dựa trên hiện tượng giao thoa tăng cường. Dù ý tưởng này nhen nhóm từ những năm 1940, nhưng phải đến thập kỷ 1980, công nghệ chế tạo mới đủ chín muồi để hiện thực hóa nó với những vật liệu như Tungsten-Carbon hay Molybdenum-Silicon. Gương đa lớp phản xạ hiệu quả ánh sáng ở bước sóng 13 nm, đặt nền móng quan trọng cho kỷ nguyên EUV sau này.
Năm 1985 đánh dấu một cột mốc quan trọng khi nhà khoa học Nhật Bản Hiroo Kinoshita cùng các cộng sự tại tập đoàn NTT lần đầu tiên trình diễn thành công việc tạo hình mạch điện bằng bằng tia X mềm (bước sóng từ 2 đến 20 nm).
Cùng thời gian này, ở Mỹ, các nhóm nghiên cứu tại Stanford và Berkeley cũng đạt được bước tiến tương tự khi chế tạo thành công những gương đa lớp có khả năng phản xạ tia X ở bước sóng tối ưu 13 nm.
Dẫu vậy, ý tưởng sử dụng hệ gương đa lớp để điều khiển và định hướng chùm tia X vẫn vấp phải làn sóng hoài nghi dữ dội từ giới học thuật. Khi Hiroo Kinoshita trình bày kết quả nghiên cứu của mình tại Nhật Bản, ông gần như đơn độc trong niềm tin rằng có thể xây dựng một hệ quang học hoàn toàn dựa trên gương để điều khiển tia X. Đa số chuyên gia thời bấy giờ đều coi đó là điều không tưởng, xa rời thực tế.
Jos Benschop - hiện là Phó Chủ tịch điều hành phụ trách công nghệ của ASML - gặp Hiroo Kinoshita tại Hội nghị Quốc tế về Khoa học và Công nghệ Photopolymer (ICPST) ở Nhật Bản vào năm 2025. Christophe Fouquet, CEO của ASML, đã đăng tấm hình này lên LinkedIn của ông, với lời chia sẻ: "Đối với ASML, hành trình bắt đầu vào năm 1997, khi chúng tôi tuyển dụng Jos Benschop. Nhưng tia lửa đầu tiên đã xuất hiện sớm hơn, vào giữa những năm 1980 từ công trình nghiên cứu của Hiroo Kinoshita, khi đó là nhà nghiên cứu tại NTT ở Nhật Bản."
Sau khi biết về công trình của Kinoshita, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore đã trình bày một bài báo về nghiên cứu quang khắc tia X mềm của chính họ vào năm 1988. Thế nhưng, sự đón nhận cũng lạnh lẽo chẳng kém gì ở Nhật Bản. Một thành viên trong nhóm về sau hồi tưởng lại buổi thuyết trình ấy bằng những lời lẽ cay đắng: "Bạn không thể tưởng tượng nổi làn sóng phản đối dữ dội mà tôi đã phải hứng chịu. Cả khán phòng như muốn 'xiên' tôi bằng những ánh nhìn và câu hỏi chất vấn. Tôi đã phải ra về trong sự ê chề..."
Bất chấp những gáo nước lạnh từ giới học thuật, công việc nghiên cứu tia X mềm vẫn âm thầm diễn ra tại NTT, Bell Labs và Livermore. Tại Nhật Bản, nhóm của Kinoshita đã thiết kế một hệ thống quang khắc tia X mềm hai gương mới, và sử dụng nó để in thành công các hoa văn với kích thước 500 nm.
Bài trình bày về kết quả này tại một hội nghị năm 1989 ở California đã lọt vào mắt xanh của các nhà khoa học tại Bell Labs. Cuộc gặp gỡ định mệnh đó khởi đầu cho một chuỗi các cuộc trao đổi chuyên môn xuyên lục địa. Và rồi một năm sau, Bell Labs đã in thành công một hoa văn 50 nm bằng tia X mềm. Sau này, hội nghị năm 1989 giữa NTT và Bell Labs được giới công nghệ tôn vinh bằng một cái tên đầy biểu tượng: "Bình minh của EUV".
Những cải tiến lớn
Bước sang thập niên 1990, đã có hai cải tiến lớn được thực hiện để đưa quang khắc tia X mềm vào thực tế. Đó là những cải tiến về nguồn phát tia X và độ chính xác của gương đa lớp.
Một công cụ quang khắc tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore vào những năm 1990. Ảnh:
Phòng thí nghiệm Quốc gia. Lawrence Livermore
Trước đây, tia X được tạo ra từ máy gia tốc hạt - những chiếc máy vốn quá đắt đỏ, cồng kềnh và không thể đem vào sản xuất công nghiệp. Bước ngoặt xuất hiện khi công nghệ LPP (laser produced plasma) ra đời. Trong công nghệ này, tia laser công suất cao được dùng để bắn vào vật liệu nhằm tạo ra plasma phát ánh sáng cực tím ở bước sóng cực ngắn (EUV). Vấn đề là quá trình này sinh ra các mảnh vụn làm giảm tuổi thọ của các tấm gương đa lớp mong manh. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để giảm thiểu mảnh vụn, đó là cho tia laser bắn vào chuỗi các giọt thiếc siêu nhỏ đang rơi.
Rào cản cuối cùng của công nghệ quang khắc mới là độ chính xác của hệ thống gương đa lớp. Vào năm 1990, trình độ chế tác gương tốt nhất thế giới cũng chỉ chạm ngưỡng sai số 9 nm. Tuy nhiên, để một hệ thống quang học EUV có thể vận hành thực tế, độ sai số phải được kéo xuống dưới 0,5 nm. Nhằm vượt qua thách thức này, tập đoàn NTT đã tìm đến Tinsley - công ty Mỹ đứng sau những chiếc gương huyền thoại của Kính viễn vọng không gian Hubble. Từ đây, Tinsley đã tạo ra một bước nhảy vọt khi hạ sai số xuống còn 1,5 đến 1,8 nm vào năm 1993. Suốt một thập kỷ sau đó, cuộc chạy đua mài giũa độ chính xác của những tấm gương đa lớp vẫn tiếp tục không ngừng nghỉ.
Lúc này, nhu cầu định danh cho công nghệ mới trở nên cấp thiết. Cái tên cũ - quang khắc tia X mềm - không chỉ gây nhầm lẫn với phương pháp quang khắc cận tia X (X-ray proximity lithography), vốn là một thất bại đau lòng trong quá khứ, mà còn không lột tả được bản chất quang học khác biệt hoàn toàn của nó.
Đến năm 1993, thuật ngữ quang khắc siêu cực tím - extreme ultraviolet lithography, hay gọi tắt là EUV - chính thức ra đời. Về mặt vật lý, tia EUV là một dải trong phổ điện từ, nằm giữa cực tím sâu (Deep Ultraviolet - DUV) và tia X mềm, với bước sóng khoảng 13,5 nm. Bên cạnh đó, cái tên EUV tạo ra một sự tiếp nối, định vị đây là phiên bản kế nhiệm cho công nghệ DUV đang thịnh hành lúc bấy giờ.
Đường đi của ánh sáng cực tím từ nguồn phát (góc dưới bên phải) đến wafer silicon. Nguồn: ASML
Quá trình quang khắc siêu cực tím. Chùm ánh sáng bước sóng siêu ngắn được sử dụng để ‘in’ các mạch điện siêu nhỏ lên tấm wafer silicon. Ảnh: ASML
Những năm sau đó, cuộc đua EUV diễn ra đầy căng thẳng giữa Mỹ và Nhật Bản. Năm 1992, Intel cam kết đầu tư 200 triệu USD cho việc phát triển EUV. Năm 1994, chính phủ Mỹ quyết định nâng tầm công nghệ này thành nhiệm vụ chiến lược khi thành lập chương trình quang khắc EUV quốc gia do Bộ Quốc phòng cùng Bộ Năng lượng đảm trách, quy tụ các nhà nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm quốc gia (Livermore, Berkeley và Sandia),
Sự ra đời của liên minh EUV-LLC
Cú sốc ập đến vào năm 1996 khi Quốc hội Mỹ đột ngột cắt toàn bộ ngân sách cho dự án EUV, với lý do công nghệ này tiềm ẩn quá nhiều rủi ro. Thời điểm đó, EUV vẫn là một khối rubik chưa có lời giải với hàng loạt trở ngại kỹ thuật bủa vây; không một ai dám khẳng định đây sẽ là tương lai của ngành bán dẫn.
Việc mất đi nguồn tài trợ đe dọa dẫn đến nguy cơ tan rã cả một cộng đồng nghiên cứu tinh hoa. Các nhà khoa học sẽ bị thuyên chuyển sang những dự án khác, đồng nghĩa với việc toàn bộ kho tàng kiến thức và những nỗ lực tiền tỷ về EUV bấy lâu nay sẽ bị xóa sổ.
Phòng thí nghiệm Berkeley đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các hệ quang học nền tảng cho EUV suốt thập niên 1990, và hiện tại họ vẫn tiếp tục tham gia thử nghiệm, phát triển công nghệ này. Ảnh: Berkeley Lab
Đúng lúc này, Intel có một động thái bất ngờ. Họ đã ngay lập tức rót khoảng 250 triệu USD để duy trì chương trình nghiên cứu EUV. Intel còn thành lập một liên minh, gọi là EUV-LLC, đồng thời ký hợp đồng với Bộ Năng lượng Mỹ để tài trợ cho việc nghiên cứu EUV tại các phòng thí nghiệm quốc gia ở Sandia, Berkeley và Livermore. Các tập đoàn lớn khác của Mỹ - gồm Motorola, AMD, IBM và Micron - cũng tham gia liên minh, nhưng Intel vẫn là thành viên có ảnh hưởng nhất.
Vào thời điểm EUV-LLC ra đời, các công ty quang khắc của Mỹ gần như đã bị đẩy ra khỏi thị trường thiết bị quang khắc bán dẫn toàn cầu. Các hãng Nhật Bản như Nikon và Canon lần lượt nắm giữ khoảng 40% và 30% thị phần, trong khi vị trí thứ ba thuộc về một công ty Hà Lan đang nổi lên là ASML, với khoảng 20% thị phần.
Các thành viên của EUV-LLC, nhất là Intel, mong muốn một công ty quang khắc nước ngoài lớn tham gia liên minh để đưa EUV trở thành một tiêu chuẩn toàn cầu. Tuy nhiên, việc chuyển giao cho một đối thủ vốn từng gây ra sự xuống dốc thê thảm của ngành bán dẫn Mỹ như Nhật Bản là một vấn đề khó chấp nhận.
Trên thực tế, Nikon cũng từ chối tham gia EUV-LLC, còn Canon thì bị chính phủ Mỹ ngăn không cho tham gia.
Tuy nhiên, ASML lại là trường hợp khác. Việc đặt trụ sở tại Hà Lan khiến công ty này được xem như "vùng trung lập" trong cuộc cạnh tranh bán dẫn giữa Mỹ và Nhật. Intel, với mối quan tâm chính là đảm bảo bản thân có được thế hệ công cụ quang khắc tiếp theo bất kể chúng do ai sản xuất, đã mạnh mẽ ủng hộ việc để cho ASML tiếp cận giấy phép công nghệ. (Một lãnh đạo của công ty thiết bị quang khắc Mỹ Ultratech Stepper từng phàn nàn rằng Intel "đã làm mọi cách có thể để trao công nghệ cho ASML trên một chiếc đĩa bạc".)
ASML đã phát triển hệ thống quang khắc đầu tiên của mình vào năm 1984, trong một nhà xưởng tạm bợ bị dột nằm phía sau tòa nhà văn phòng của tập đoàn Philips ở Eindhoven, Hà Lan. Ảnh: ASML
Đến năm 1999, ASML tham gia EUV-LLC và được cấp phép công nghệ, với điều kiện phải sử dụng một tỷ lệ đủ lớn linh kiện từ Mỹ trong các hệ thống mà họ chế tạo, đồng thời phải mở một nhà máy tại Mỹ - tuy nhiên, những điều kiện này trên thực tế chưa bao giờ được ASML đáp ứng đầy đủ.
Cuối cùng, kết hợp với công ty quang học Zeiss của Đức, ASML đã trở thành công ty quang khắc duy nhất đưa công nghệ EUV cán đích thành công. Họ xác lập một đế chế độc quyền tuyệt đối, nắm giữ chiếc chìa khóa vạn năng để mở ra cánh cửa dẫn tới những tiến trình chip tiên tiến nhất.
Một trong những hệ thống thử nghiệm EUV nguyên mẫu của ASML. Ảnh: ASML
Kẻ trồng cây và người hái quả
Năm 2003, liên minh EUV-LLC chính thức khép lại sứ mệnh lịch sử. Liên minh này đã xây dựng thành công một hệ thống quang khắc siêu cực tím thử nghiệm, đạt được tiến bộ ở cả hai công nghệ tạo ra nguồn ánh sáng EUV là LPP (plasma được tạo bởi laser) và DPP (plasma được tạo bởi phóng điện), phát triển các loại mặt nạ phù hợp, cải thiện đáng kể các gương đa lớp, và có hơn 150 bằng sáng chế.
Năm 2006, ASML đã ra mắt nguyên mẫu EUV đầu tiên, nhưng nguồn ánh sáng EUV còn rất yếu, chưa đủ mạnh để dùng cho sản xuất công nghiệp.
Mọi kỳ vọng đổ dồn vào Cymer, công ty Mỹ đang nắm giữ bí mật về LPP. ASML và Cymer (sau này được ASML mua lại) đã mất thêm nhiều năm để hoàn thiện việc chế tạo nguồn phát plasma. Quá trình này khó khăn đến mức ASML cần thêm hàng tỷ USD.
Đứng trước nguy cơ dự án lịch sử sụp đổ ngay sát ngưỡng cửa thành công, vào năm 2012, ba gã khổng lồ TSMC, Samsung và Intel đã đầu tư 6 tỷ USD vào ASML, đổi lấy cổ phần của công ty.
Hệ thống EUV High NA nặng 165 tấn này do ASML chế tạo, đặt tại nhà máy Fab D1X của Intel ở Hillsboro, bang Oregon, vào tháng 4/2024. Ảnh: Intel Corporation
ASML chỉ bắt đầu xuất xưởng hệ thống EUV phục vụ sản xuất thương mại vào năm 2013. Như vậy, sau hàng chục năm thai nghén với biết bao thăng trầm, kỷ nguyên EUV cuối cùng đã chính thức gõ cửa.
Ngày nay, EUV trở thành nhịp đập trung tâm của ngành công nghệ toàn cầu. TSMC, Intel và Samsung, những nhà sản xuất bán dẫn hàng đầu thế giới, đều sử dụng EUV trong sản xuất. Và tất cả đều sử dụng các công cụ quang khắc do ASML chế tạo dành riêng cho công nghệ này.
Nhật Bản và Mỹ đã gieo hạt và bảo vệ EUV qua những ngày giông bão nhất của sự hoài nghi. Thế nhưng, lịch sử lại mỉm cười với ASML.
Từ đây, công ty Hà Lan này trở thành mắt xích quan trọng hàng đầu trong chuỗi cung ứng EUV toàn cầu, khi là nơi duy nhất cung cấp máy quang khắc EUV hoàn chỉnh cho thị trường.
Việt Anh tổng hợp
---
Nguồn:
How ASML Got EUV, Construction Physics.
https://www.construction-physics.com/p/how-asml-got-euv
Hiroo Kinoshita: Lighting the way for extreme ultraviolet lithography, Spie.
https://spie.org/news/photonics-focus/mayjune-2023/developing-extreme-ultraviolet-lithography
Making EUV: from lab to fab, ASML.
https://www.asml.com/en/news/stories/2022/making-euv-lab-to-fab